How can miscanthus be integrated most efficiently into agricultural production systems?

Abstract

The demand for biomass is increasing steadily, as fossil resources are gradually being replaced by biomass within the context of a developing bioeconomy. Plant-based feedstocks currently used for this replacement virtually all come from annual crops. However, perennial crops such as miscanthus are expected to be more environmentally benign due to their generally low-input requirements and high yield potential. Despite these advantages, the current cultivation area of miscanthus in Europe is quite low. One reason for this is that the cultivation and utilization of miscanthus faces several challenges. For example, the most common propagation method via rhizomes is very labour-intensive and thus expensive, leading to high establishment costs. Seed propagation is a promising option to reduce costs, but is not suitable for sterile genotypes. Another challenge to be overcome is the problem of re-integrating former miscanthus fields into crop rotations. The crop following miscanthus needs to be highly competitive in order not to be impaired by resprouting miscanthus shoots and thus able to achieve high yields. Additionally, there is only little information available on the effect of miscanthus cultivation and its subsequent removal on soil N content. This information is however crucial, for example to avoid environmental problems being caused by a potential nitrogen leaching after a miscanthus removal. If miscanthus is to be utilized as a biogas substrate, there are further challenges to be overcome. Firstly, the optimal harvest date needs to be defined with regard to the methane hectare yield and resilience of the crop to green cutting. Secondly, as a continuous supply of biomass throughout the year is necessary, ensiling will become a relevant topic. However, information is still required on the optimal harvest date to achieve a sufficient silage quality and the effects of ensiling on methane hectare yield. Finally, the suitability of miscanthus for biogas production is also influenced by biomass quality such as the proportions of leaf and stem. This has already been established for miscanthus utilization in combustion but has not yet been sufficiently investigated for anaerobic digestion. In summary, there are a number of uncertainties involved in miscanthus establishment, removal and utilization, which currently hamper its integration into agricultural production systems. From a bioeconomic point of view, this integration needs to be conducted as efficiently as possible in terms of nutrient-use, environmental and land-use efficiency. The aim of this study was to contribute to the filling of these knowledge gaps. To answer these knowledge gaps, several miscanthus field trials and laboratory experiments were conducted: a novel propagation method was tested; the re-integration of miscanthus fields into a crop rotation was analysed; and the effect of genotype, harvest date and ensiling on the digestibility and methane hectare yield was investigated. The results illustrate some possibilities of improving the nutrient-use, environmental and land-use efficiency of miscanthus biomass production along its supply chain: It was shown that miscanthus propagation via collars is feasible and a promising alternative to rhizome propagation, as the multiplication rate of collars is comparable to that of rhizome propagation. As the harvesting of collars is likely to be less labour-intensive and is less destructive for the mother field than rhizome propagation, this method is more favourable for both economic and ecological reasons. The re-integration of miscanthus into crop rotations revealed maize to be a suitable crop after miscanthus, as it coped with the prevailing soil conditions and suppressed resprouting miscanthus efficiently, resulting in satisfactory yields. The soil mineral nitrogen (Nmin) content was found to increase during the vegetation period following a miscanthus removal, but was generally on a low level (average: 17.3 kg Nmin ha-1). Additionally, it was found that, in Germany, miscanthus should be harvested in mid-October to maximize methane yields and nutrient recycling but minimize yield reduction. In addition, silage quality was best when miscanthus was harvested on this date. As leaf proportion correlated positively with substrate-specific methane yield (SMY) and thus genotypes with a higher leaf proportion were found to have a higher SMY, methane hectare yields could be increased even further by using genotypes with a high leaf proportion. In summary, the approaches developed in this study allow to considerably improve the ecological and economic performance of miscanthus production by increasing nutrient-use,environmental impact and land-use, and thus simplifying implementation into practice.

Im Rahmen einer wachsenden Bioökonomie steigt der Biomassebedarf stetig an, da fossile Ressourcen nach und nach durch biobasierte ersetzt werden. Die dafür benötigte Biomasse wird derzeit überwiegend mittels einjähriger Kulturpflanzen gedeckt. Mehrjährige Kulturpflanzen, wie zum Beispiel Miscanthus, bilden aufgrund ihres geringen Ressourcenbedarfs bei einem gleichzeitig hohen Ertragspotential eine interessante, umweltverträglichere Alternative. Trotz dieser Vorteile ist die Anbaufläche von Miscanthus in Europa derzeit gering. Ein Grund hierfür ist, dass der Anbau und die Nutzung von Miscanthus verschiedene Herausforderungen mit sich bringen. So ist zum Beispiel die übliche Vermehrungsmethode über Rhizome sehr arbeitsintensiv, was zu hohen Etablierungskosten führt. Eine Vermehrung über Samen ist zwar im Hinblick auf eine Kostenreduktion vielversprechend, aber diese Methode ist für sterile Genotypen nicht anwendbar. Eine weitere Herausforderung, bei der Integration von Miscanthus in die Praxis, ist die Wiedereingliederung früherer Miscanthusfelder in eine Fruchtfolge. Die Folgefrucht sollte den wiederaustreibenden Miscanthus effektiv unterdrücken und gleichzeitig einen möglichst hohen Ertrag generieren. Darüber hinaus gibt es derzeit nur wenig Information darüber, wie sich der Stickstoffgehalt im Boden nach einem Miscanthusanbau und anschließendem -umbruch verhält. Diese Information ist aber entscheidend, um negative Umweltwirkungen, beispielsweise durch Nitratauswaschung, zu vermeiden. Weitere Herausforderungen ergeben sich bei der Nutzung der Miscanthusbiomasse, beispielsweise als Biogassubstrat. In einem ersten Schritt muss der beste Erntezeitpunkt im Hinblick auf den Methanhektarertrag und der Widerstandsfähigkeit der Kultur gegenüber einem Grünschnitt bestimmt werden. Des Weiteren ist die Silierung ein wichtiges Thema, da eine kontinuierliche Substratverfügbarkeit über das Jahr gewährleistet sein muss. Jedoch fehlen noch Informationen darüber, wann der optimale Erntezeitpunkt ist, um eine ausreichende Silagequalität zu erzielen, und wie sich die Silierung auf den Methanhektarertrag auswirkt. Darüber hinaus wird die Eignung von Miscanthus für die Biogasproduktion auch durch die Biomassequalität, wie beispielsweise das Blatt-/Stängelverhältnis, beeinflusst. Ähnliches wurde bereits für Nutzung von Miscanthus für die Verbrennung gezeigt, für die Biogasproduktion wurde diese jedoch noch nicht hinreichend untersucht. Zusammengefasst gibt es im Bereich der Etablierung, des Umbruches sowie der Nutzung von Miscanthus mehrere Barrieren, die derzeit eine Integration in landwirtschaftliche Produktionssysteme erschweren. Das Ziel dieser Studie war es, die identifizierten Hindernisse zu überwinden und dabei die Integration von Miscanthus in Bezug auf die Nährstoffnutzung, Umweltwirkung und die Landnutzung so effizient wie möglich zu gestalten. Hierfür wurden mehrere Feld- und Laborversuche durchgeführt: So wurde eine neue Vermehrungsmethode getestet; die Wiedereingliederung von Miscanthusfeldern in die Fruchtfolge wurde untersucht; die Wirkung verschiedener Genotypen,Erntetermine und Silierung auf die Verdaulichkeit und den Methanhektarertrag wurde analysiert. Die Ergebnisse konnten zeigen, dass die Vermehrung von Miscanthus über Collars möglich und eine vielversprechende Alternative zur Rhizomvermehrung ist. Die Vermehrungsrate ist zwar vergleichbar, die Ernte von Collars ist jedoch weniger arbeitsintensiv und destruktiv für das Mutterfeld. Der Versuch, der sich mit der Wiedereingliederung von Miscanthusflächen in Fruchtfolgen beschäftigte, zeigte, dass Mais eine geeignete Folgefrucht ist. Dieser kam mit den vorherrschenden Bodenbedingungen zurecht, unterdrückte den wiederaustreibenden Miscanthus effizient und lieferte gleichzeitig hohe Biomasseerträge. Es stellte sich heraus, dass in der Vegetationsperiode nach dem Miscanthusumbruch der Bodenstickstoffgehalt (Nmin) zwar anstieg, aber generell auf einem niedrigen Niveau lag (im Mittel 17,3 kg Nmin ha-1). Darüber hinaus wurde gezeigt, dass in Deutschland ein Erntetermin Mitte Oktober optimal ist, um die Methanerträge und die Nährstoffrückverlagerung zu maximieren und Ertragsverluste zu minimieren. Außerdem wurde aufgezeigt, dass die Silagequalität von Miscanthus an diesem Erntetermin am besten war. Des Weiteren konnte in den Versuchen eine positive Korrelation von Blattanteil und dem substratspezifischen Methanertrag (SME) demonstriert werden. Hierbei hatten Genotypen mit einem höheren Blattanteil einen höheren SME. Basierend darauf, könnten Methanhektarerträge durch die Nutzung von Genotypen mit höheren Blattanteilen noch weiter verbesset werden. Zusammengefasst erlauben die in dieser Studie entwickelten Ansätze das ökologische und ökonomische Leistungsverhalten der Miscanthusproduktion, durch eine Verbesserung der Nährstoffnutzung, Umweltwirkung und Landnutzung, deutlich zu steigern und dadurch die Implementierung in die Praxis zu vereinfachen.